ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: BUDOWNICTWO z. 97
2003 Nr kol. 1573
Dawid AHMAD, Antoni KUCHLER Politechnika Warszawska
PODNIESIENIE PODŁOŻA O WŁAŚCIWOŚCIACH EKSPANSYWNYCH I FUNDAMENTÓW
Streszczenie. Zainteresowanie gruntami ekspansywnymi jest żywotne i ważne. Występują one powszechnie w stanie nienasyconym i strefie [14] posadawiania obiektów budowlanych.
Istnieje wiele metod do obliczania podniesienia podłoża spowodowanego pęcznieniem gruntów ekspansywnych, zarówno bez obciążenia, jak i z obciążeniem. W pracy dokonano porównania wyników obliczeń tego podniesienia wyznaczonego różnymi metodami w aspekcie wpływu podziału warstwy podłoża ekspansywnego na warstwy obliczeniowe, wpływu miąższości podłoża ekspansywnego oraz obciążenia zewnętrznego. W obliczeniach wykorzystano literaturowe parametry geotechniczne, średnie, minimalne i maksymalne, charakteryzujące grunty ekspansywne. Rozpatrzone metody prowadzą do wyraźnie zróżnicowanej wielkości podniesienia podłoża. Wykonane obliczenia i analizy wykazały złożoność problemu i potrzebę dalszych badań, ale nie tylko obliczeniowych, lecz także obejmujących obserwacje terenowe.
THE INFLUENCE OF THE EXPANSIVE SOILS ON THE GROUND AND FOUNDATIONS
Summary. The interest in expansive soils is important and vital. Expansive soils occur generally in unsaturated state and in the whole area o f building foundations. There are lots o f methods and formulas to calculate the raising o f soil caused by swelling o f expansive soils, either with the load or without it. The paper compares calculated results o f raising, determined by different methods from the perspective o f the influence o f expansive soil layers fragmentation on calculated layers, the influence o f the expansive soil thickness and the influence of external load. Literature geotechnical parameters, average, minimum and maximum, characteristic for the expansive soil, were used in the calculations. The methods considered lead to clearly differentiated expansive soil dimensions. The calculations and analyses made show the problem complexity and the need o f further examinations, including site observations.
1. Wstęp
W dostępnej literaturze istnieje wiele określeń ekspansywności gruntów. Według normy [12] (Pr PN - 99/B - 02482, Geotechnika Terminologia podstawowa), gruntami ekspansywnymi są grunty spoiste odznaczające się zdolnością do zmian objętości (kurczenia się lub / i pęcznienia) tylko na skutek zmian wilgotności.
Występują one w stanie nienasyconym, który jest stanem powszechnym, obejmującym niemal całą strefę aeracji, w której posadawiane są obiekty budowlane.
O ważności i żywotności problemu ekspansywności gruntów świadczą liczne publikacje i specjalnie poświęcane tej tematyce międzynarodowe konferencje i sympozja [15 do 21] oraz fakt wyodrębnienia się w latach osiemdziesiątych jako osobnego działu mechaniki gruntów nienasyconych. W Polsce w 1990 r. ITB wydaje instrukcję [8], a w 1991 r. Politechnika Poznańska wydaje pracę [14], dotyczące posadowienia obiektów budowlanych na gruntach ekspansywnych. W 1993 r , opublikowano pierwszy podręcznik mechaniki gruntów nienasyconych [7]. W Polsce, w roku 1998, także ukazuje się [13] pierwszy podręcznik dotyczący właściwości gruntów nienasyconych.
Powodem tego zainteresowania są względy poznawcze i gospodarcze. Szkody wynikające z niepoprawnego posadowienia obiektów na gruntach ekspansywnych [9, 14], szacowano w 1973 roku, w Stanach Zjednoczonych, średnio na 2.25 miliarda dolarów. Kwota ta odpowiada łącznym stratom wyrządzonym przez powodzie, huragany, tornada i trzęsienia ziemi.
Badania i doświadczenia wykazują [14], że niemal wszystkie iły występujące na obszarze Polski są ekspansywne. Wśród nich wyróżniają się iły plioceńskie, zwane również poznańskimi. Ekspansywność gruntów jest także w wielu rejonach Polski najczęstszą przyczyną awarii.
2. Metody obliczania podniesienia podłoża i fundamentów
Na podstawie przeglądu dostępnej literatury stwierdzono [1], że istnieje 15 metod obliczania podniesienia podłoża zarówno bez obciążenia zewnętrznego, jak i z obciążeniem zewnętrznym. Uznano [1], że dzielą się one na metody:
• oparte na nomogramach - 2 metody: I ( Van der Merwego 1964 [23]);
i II (Williamsa i Donaldsona 1980 [25]);
Podniesienie podłoża o w łaściw ościach ekspansywnych 365
• empiryczne - 2 metody: III (Brackleya 1975 ) [4] i IV ( Westona 1980 [24]);
• oparte na pęcznieniu - 7 metod: V (metoda A w normie ASTM D 4546 - 90 [2]);
VI (metoda B w normie ASTM D 4546 - 90 [2] );
VII (metoda C w normie ASTM D 4546 - 90 [2]);
VIII (Soroćana 1974 [5]);
IX (NAVFAC 1983 [6]);
X (Fredlunda i Rahrajdo 1993 [11]);
XI (Kousa 1997 [10]);
• oparte na ssaniu - 4 metody: XII (McKeena 1992 [11]);
XIII (Mitchella 1992 [22]);
XIV (McKeena 1980 [22]);
XV (Brackleya 1975 [3]).
W pracy wykorzystano parametry geotechniczne ekspansywnych iłów plioceńskich z rejonu Poznania (z pracy Przystańskiego J. [14]), przedstawione w tablicy 1.
Tablica 1 Parametry geotechniczne ekspansywnych iłów plioceńskich z rejonu Poznania wg [14]) -O-t/l
o F ¡ Ip I I P wP wL w„ Cu <|>u M o * M* **
E Pc° Pc.tnax Cp° Cp.max
i
£ % . t/m3 % kPa O MPa %
X 34 46 0.05 2.00 24 68 22 80 8 15 30 50 0.1 0.8 10 20
X min 30 24 -0.10 1.80 20 40 16 40 4 4 10 25 0.05 0.2 5 10
-'-maxV 60 90 0.20 2.20 50 140 33 200 18 40 60 120 2.0 4.0 30 35
Objaśnienia:
X - wartość średnia ( charakterystyczna);
X m in - wartość minimalna;
X m ax - wartość maksymalna;
*) - wartości z badań laboratoryjnych;
**) - wartości obliczone na podstawie obserwacji osiadań obiektów.
3. Podniesienie podłoża
Analizą objęto 6 metod opartych na:
- nomogramach - metoda I (Van der Merwego 1964 [23]);
- wzorach empirycznych - metoda III (Brackleya 1975 [17]) i IV (Westona 1980 [24]);
- pęcznieniu:
- wskaźniku względnego pęcznienia - metoda VIII (Soroćana 1974 [5] i IX (NAVFAC 1983 [6]);
- ciśnieniu pęcznienia: - metoda XI (Kousa 1997 [10]).
Rozpatrzono:
• wpływ podziału podłoża ekspansywnego o miąższości H w = 6.00 m rys.l., opisanego średnimi parametrami, na warstwy obliczeniowe, na wielkość podniesienia podłoża TH wg przyjętych metod. Zastosowano podział na warstwy obliczeniowe o miąższości: 0.5 m - 12 warstw, 1.0 m - 6 warstw, 1.5 m - 4 warstwy, 2.0 m - 3 warstwy, 3.0 m - 2 warstwy i 6.0 m - 1 warstwa,
miąższość warstwy obliczeniowej w m
Rys. 1. Wpływ podziału podłoża ekspansywnego o miąższości H w = 6.00 m, opisanego średnimi parametrami, na warstwy obliczeniowe, na wielkość podniesienia podłoża TH w cm, wg przyjętych metod
Fig. 1. The influence of the expansive soil fragmentation of H w = 6.00 m thickness, described with average parameters on calculated layers, on the size of soil raising TH in cm, according to the accepted methods
• wpływ wartości parametrów podłoża ekspansywnego o miąższości H w = 6.00 m rys. 2., na wielkość podniesienia TH wg przyjętych metod, przy podziale na warstwy obliczeniowe o miąższości 0.5 m.
Podniesienie podłoża o w łaściw ościach ekspansywnych 367
E0 1 EH ao
I 1
I 1
1 J 1
FI
I III IV n u m e r m e to d yJ J
V III IX XIRys. 2. Wpływ wartości parametrów podłoża ekspansywnego o miąższości H „ = 6.00 m, na wielkość podniesienia TH w cm, wg przyjętych metod
Fig. 2. The influence of the values of expansive soil parameters of H w = 6.00 m thickness, on the size of raising TH in cm, according to the accepted methods
Nie ma dotychczas wypracowanych kryteriów podziału podłoża na warstwy obliczeniowe, przy obliczaniu podniesienia podłoża ekspansywnego. Metody III i IV prowadzą do zbyt zaniżonego podniesienia. Nie we wszystkich metodach ( IX ) można stosować dowolny podział na warstwy obliczeniowe. Zastosowanie dowolnego podziału może prowadzić do zaniżenia wielkości podniesienia podłoża do 10 razy.
Minimalne parametry nie mogą być zastosowane w metodach III, IV, VIII, IX, XI.
Przeanalizowane metody prowadzą do wyraźnie zróżnicowanej wielkości podniesienia podłoża.
4. Podniesienie fundamentów
Analizą objęto 5 metod opartych na:
- wzorach empirycznych - metoda III (Brackleya 1975 [4 ]) i IV (Westona 1980 [24]);
- wskaźniku względnego pęcznienia - metoda VIII (Soroćana 1974 [5]) i IX (NAVFAC 1983 [6]);
- ciśnieniu pęcznienia: - metoda XI (Kousa 1997 [10]).
Rozpatrzono:
• Podniesienie podłoża ekspansywnego TH w cm rys. 3., o miąższości 6.0 m, opisanego minimalnymi parametrami Xmjn i fundamentu, w zależności od wielkości obciążenia zewnętrznego q w kPa, wg przyjętych metod.
Ł o.o
0 2 0 40 6 0 80 100 120 140 160 180 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 400
o b c ią ż e n ie q w k P a p rz e k a z y w a n e p rz e z f u n d a m e n t n a p o d ło ż e
Rys. 3. Podniesienie podłoża ekspansywnego TH w cm, o miąższości 6.0 m, opisanego minimalnymi parametrami Xrain i fundamentu, w zależności od wielkości obciążenia zewnętrznego q w kPa, wg przyjętych metod
Fig. 3. The raising of the expansive soil TH in cm, of H w = 6.00 m thickness, described with minimum parameters X min and foundations, versus the value of external load q in kPa and according to the accepted methods
• Podniesienie podłoża ekspansywnego TH w cm rys,. 4., o miąższości 6.0 m, opisanego maksymalnymi parametrami Xmax , w zależności od wielkości obciążenia zewnętrznego q w kPa, wg przyjętych metod.
450
£ 400
4S0 fh
3 300
o
i 750
«2 200
5 150
.a 100
<0
.a 50
I 0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
o b cią ż e n ie q w kPa przekazywane przez fundam ent na podłoże
Rys. 4. Podniesienie podłoża ekspansywnego TH w cm, o miąższości 6.0 m, opisanego maksymalnymi parametrami Xmax, w zależności od wielkości obciążenia zewnętrznego q w kPa, wg przyjętych metod
Fig. 4. The raising of the expansive soil TH in cm, of H w = 6.00 m thickness, described with maximum parameters Xmax , versus the value of the external load q in kPa and according to the accented methods
U - t t t I t t t t t t 7 T T ! T ? T
Podniesienie podłoża o w łaściw ościach ekspansywnych 369
5. Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone studia dostępnej literatury, własne analizy i obliczenia upoważniają do sformułowania następujących wniosków.
Nie ma dotychczas wypracowanych kryteriów podziału podłoża na warstwy obliczeniowe, przy obliczaniu podniesienia podłoża ekspansywnego. Zastosowanie dowolnego podziału może prowadzić do zaniżenia wielkości podniesienia podłoża do 10 razy.
Przeanalizowane metody prowadzą do wyraźnie zróżnicowanej wielkości podniesienia podłoża.
Jedną z najlepiej dopracowanych jest metoda oparta na ciśnieniu pęcznienia podana przez Soroczana (metoda V III). Wielkość podniesienia podłoża jest w tej metodzie uzależniona od rozkładu naprężenia całkowitego w podłożu oraz od wielkości wymiarów powierzchni zawilgocenia L„, i Bw .
Wykonane obliczenia i analizy wykazały złożoność problemu i potrzebę dalszych badań, ale nie tylko obliczeniowych, a obejmujących obserwacje terenowe.
LITERATURA
1. Ahmad D.: Oddziaływanie podłoża o właściwościach ekspansywnych na fundamenty i konstrukcję. Rozprawa doktorska, OW PW, Warszawa 2002.
2. ASTM D 4546 - 90 Standard test method for one - dimensional swell or settlement potential of cohesive soils.
3. Brackley I. J.: Prediction o f soil heave from suction measurements. Proc. 7 th Reg. Con.
For Africa on Soil Mech. Found. Eng., Vol. 1, pp. 159 - 166, Accra 1980.
4. Brackley I. J.: Swell under load. Sixth Regional Conference for Africa on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Durban, pp. 65 - 70, South Africa, 1975.
5. C o p o u a H E. A.: C T p n o H T e jitc T B o coo p yx cem rii H a H a G y x a io u m x rp y ffr a x . C T p ń ra ą a T , M o c K B a 1989.
6. Foundations and Earth Structures D. M. 7.2. Soil Mechanics Deep Stabilization and Special Construction. D. M. 7.3,NAVFAC 1982,1983.
7. Fredlund D. G., Rahardjo H.: Soil mechanics for unsaturated soils. A. Wiley - Interscience Publication, John Wiley and Sons, INC, New York 1993.
8. Instrukcja 296 ITB: Posadowienie budowli na gruntach ekspansywnych. DWP ITB, Warszawa 1990.
9. Jones D. E., (Jr.), Holtz W. G.: Expansive Soils - the Hiddon Dicaster, Civil Engineering. Vol. 43, Now. 8, Aug. 1973.
10 K o y c a PL: B ju m H u e bjiaxcHOCTH H a H aS y x a H e rp yH T a. M e x a H H K a rp yH T o b . OOMT, Hp 5,
M o c K B a 1997, c. 1-5.
11. Mc Keen R. G.: A model for predicting expansive soil behaviour. Proc. 7 th Int. Conf.
On Expansive Soils, Vol. 1, pp. 1 - 6 , Dallas, Texas 1992.
12. Pr PN - 99/B - 02482, Geotechnika. Terminologia podstawowa.
13. Praca zbiorowa pod redakcją B. Grabowskiej - Olszewskiej: Geologia stosowana.
Właściwości gruntów nienasyconych. PWN, Warszawa 1998.
14. Praca zbiorowa pod redakcją J. Przystańskiego: Posadowienie na gruntach ekspansyw
nych. WPP, Poznań 1991.
15. Proceedings of the Fifth International Conference on Expansive Soils. Adelaide, Australia 1984.
16. Proceedings o f the Fourth International Conference on Expansive Soils. Denver USA 1980.
17. Proceedings o f the Second International Research and Engineering Conference on Expansive Clay Soils. Texas AM University, College Station, Texas, USA 1969.
18. Proceedings o f the Seventh International Conference on Expansive Soils. Texas USA 1992.
19. Proceedings o f the First International Conference on Expansive Clay Soils. Texas, USA 1965.
20. Proceedings o f the Sixth International Conference on Expansive Soils. Delhi, India 1987.
21. Proceedings o f the Third International Conference on Expansive Soils. Haifa, Israel 1973.
22. Snethen D. R., Huang G.: Evaluation of soil suction - heave prediction methods. Proc.
7th Int. Comf. on Expansive Soils, Vol. 1, pp. 12 - 17, Dallas, Texas, 1992.
23. Van der Merwe D. H.: The prediction o f Heave from the Plasticity Index and percentage clay fraction o f soils, The Civil Engineer in South Africa, Vol. 6, No. 6, June, s .103, South Africa 1964.
24. Weston D. J.: Expansive road treatment for southern Africa. Proc. o f 4 th Int. Conf. on Expansive Soils, pp. 301 - 360, Denver 1980.
25 Williams A. A. B., Donaldson G. W.: Buildings on expansive soils in South Africa 1973 - 1980. Proc. o f 4 th Int. Conf. on Expansive Soils, pp. 834 - 844, Denver 1980.
Recenzent: Prof. zw. dr hab. inż. Zygmunt MEYER
A bstract
There are 15 methods o f calculating the raising o f the soil either with the external load or without it. However, no tests o f the fragmentation o f the layer into calculated layers have been prepared, which would calculate the raising of expansive soil. Irrespective of the fragmentation used, it may cause a decrease in the dimension o f the soil raising even up to 10 times. The analysed methods lead to clearly differentiated dimensions o f the soil raising. The calculations and analyses made show the problem complexity and the need o f further examinations, including not only calculations but site observations as well.
